[论文解读] The expectation of cosmic ray proton and helium energy spectrum below 4 PeV measured by LHAASO

L. Q. Yin, S.S. Zhang+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 7

一句话总结

本文针对大型高海拔空气簇射观测站（LHAASO）提出了基于模拟的预报，利用混合探测方法测量4 PeV以下宇宙射线质子和氦的能谱。通过结合水契忍可夫探测器阵列（WCDA）、广角视场契忍可夫望远镜阵列（WFCTA）和μ子探测器（MD）的数据，采用TMVA框架的多变量分析（MVA）实现了质子与H&He的高纯度分离，分别预测其有效孔径为900 m²sr和1800 m²sr，能量分辨率优于20%，能量偏差在±4%以内，使一年观测（10%观测占空比）内即可精确测量‘膝’结构。

ABSTRACT

Large High Altitude Air Shower Observatory(LHAASO) is a composite cosmic ray observatory consisting of three detector arrays: kilometer square array (KM2A) which includes the electromagnetic detector array and muon detector array, water Cherenkov detector array (WCDA) and wide field of view Cherenkov telescope array (WFCTA). One of the main scientific objectives of LHAASO is to precisely measure the cosmic rays energy spectrum of individual components from 1014 eV to 1018 eV. The hybrid observation will be employed by LHAASO experiment, in which the lateral and longitudinal distributions of the extensive air shower can be observed simultaneously. Thus many kinds of parameters can be used for primary nuclei identification. In this paper, high purity cosmic ray simulation samples of light nuclei component are obtained through Multi-Variable Analysis. The apertures of 1/4 LHAASO array for pure proton and mixed proton and helium (H&He) samples are 900 m2Sr and 1800 m2Sr respectively. A prospect of proton and H&He spectra from 100 TeV to 4 PeV is discussed.

研究动机与目标

• 预报LHAASO实验在4 PeV以下测量宇宙射线质子和氦核能谱的能力。
• 评估WFCTA、WCDA和MD联合使用的混合探测在粒子识别与能量重建方面的性能。
• 利用多变量分析（MVA）确定纯质子与H&He样本的有效孔径及污染水平。
• 评估分辨轻组分宇宙射线能谱中‘膝’结构所需的统计灵敏度与观测时间。

提出的方法

• 利用Hörandel模型及ARGO-YBJ & WFCT模型生成质子和氦核的宇宙射线簇射模拟数据。
• 采用TMVA框架的多变量分析（MVA）方法，基于WFCTA、WCDA和MD探测器的六个优化参数对初级粒子进行分类。
• 使用BDTG分类器在模拟数据上进行训练与测试，以区分质子与H&He事件，最小化污染并最大化纯度。
• 通过模拟数据标定，建立簇射能量与修正后契忍可夫光电子数（N₀^pe）之间的线性相关关系，实现能量重建。
• 针对1/4 LHAASO阵列配置，在10%占空比下，计算一年观测的有效孔径与曝光量。
• 评估强子相互作用模型（QGSJET-FLUKA与EPOS-FLUKA）带来的不确定性，以评估其对孔径与能谱重建的系统性影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHAASO能否通过混合探测实现足够高的纯度与有效孔径，以测量4 PeV以下的质子与氦能谱？
• RQ2 在一年观测时间内，LHAASO对轻组分能谱中‘膝’结构的预期统计灵敏度如何？
• RQ3 强子相互作用模型的不确定性如何影响质子与H&He的孔径与能谱重建？
• RQ4 在LHAASO混合探测配置下，质子与氦核簇射能量的重建分辨率与偏差分别是多少？
• RQ5 该混合探测系统能否分辨出‘膝’区域附近质子与H&He组分在谱变陡程度上的差异？

主要发现

• 基于Hörandel模型，纯质子事件的有效孔径为900 m²sr，污染率约10%。
• H&He事件的有效孔径为1800 m²sr，污染率低于3%，表明粒子分离性能更优。
• 质子与H&He的能量重建均表现出约±4%的偏差，能量分辨率优于20%。
• 在800 TeV能量下，Hörandel模型预测每年可获得约1130个质子事件与5121个H&He事件，至2 PeV时分别降至222个与1023个。
• 若‘膝’结构位于1 PeV以下，使用1/4 LHAASO阵列配置，一年内即可实现轻组分能谱的高统计显著性测量。
• 由于强子相互作用模型带来的H&He孔径系统性不确定度在±5%以内，表明结果在不同模型间具有鲁棒性。